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作者：顾鹏展著

出版社：电子工业出版社

出版时间：2017-07-01

书籍编号：30561476

ISBN：9787121319471

正文语种：中文

字数：80504

版次：1

所属分类：教材教辅-中职/高职

版权信息

书名：金属材料与工艺

作者：顾鹏展

出版社：电子工业出版社

出版时间：2017-07-01

ISBN：9787121319471

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内容简介

本书主要讲授金属材料基础知识与热处理基本工艺，以及机械制造工艺基础相关理论知识，着重于与材料选用有关的机械制造基本能力的培养。主要内容包括金属材料的性能、铁碳合金、钢的热处理、其他常用金属和当今前沿金属材料介绍、金属毛坯制造工艺、零件切削加工工艺等相关知识。选材少而精，重点突出，主次分明，通俗易懂，采用新的国家标准，理论联系实际，便于教学，利于自学，符合中职教育教学特点。

本书既可作为中等职业院校焊接技术类相关专业的课程教学用书，也可作为相关行业从业人员的培训和参考用书，尤其可供焊接行业从业人员参考。

前言

随着现代科技的发展，金属材料不断推陈出新，机械加工方法和手段也越来越多，对机械加工技术人员特别是焊接技术人员要求也越来越高。为了适应中等职业院校对机械类专业教学的要求，全面提高教学质量，培养具有专业知识和实践能力的新一代焊接技术人员，使他们对金属材料及加工工艺有比较全面的了解，熟悉相关知识，提高分析和操作加工能力；同时为了满足广大机械加工行业在职人员的培训需求，特编写此书。

本书在内容选材上，更加符合当前技能人才培养的需要，更好地反映新知识、新技术、新设备、新材料。同时结合教学改革要求，在教材中融入先进的教学理念和教学方法，注意将抽象的理论知识形象化、生动化，注重加强实践性教学环节，以及构建“做中学”、“学中做”的学习过程，充分体现中职教学特色。在编写中，以够用为度，适用为主，应用为本，使学生毕业后既能胜任岗位要求，又能适应焊接技术行业的变化和发展需求。

本书选材少而精，重点突出，主次分明，通俗易懂，采用新的国家标准，理论联系实际，便于教学，利于自学，符合中职教育教学特点。

本书适用于92学时的教学，学时分配建议如下：

本书由南阳技师学院顾鹏展担任主编（绪论、第1～4章），尹文新担任副主编（第5章），参加编写的还有杜金鑫（第6、7章）、马作正（第8章）、赵俊德（第9～12章）。本书在编写过程中得到了有关单位的大力支持和帮助，编者参考了许多专家学者的著作和文献，在此，一并表示衷心感谢。

本书既可作为中等职业院校焊接技术类相关专业的课程教学用书，也可作为相关行业从业人员的培训和参考用书，尤其可供焊接行业从业人员使用。

编　者

绪论

在人类使用的众多材料中，金属材料由于特有的多种优异性能，被广泛地应用于生活和生产当中，是现代工业和科学技术领域不可缺少的重要材料。

作为一名机械行业的技术工人，从手中的工具到加工的零件，每天都要与各种各样的金属材料打交道，为了能够正确地认识和使用金属材料，合理选用金属材料，适当确定热处理工艺，确定不同金属材料的加工方法，充分发挥材料的潜力，提高产品零件的质量，节省金属材料，就必须熟悉金属材料的牌号，了解它们的性能和变化规律。因此，我们需要比较深入地学习和了解金属材料的相关知识，金属材料与热处理正是这样的一门研究金属材料的成分、组织、热处理与金属材料性能之间的关系和变化规律的学科。

金属材料在现代工农业生产中占有极其重要的地位。不仅在机械制造、交通运输、国防科技等各个部门需要使用大量的金属材料，而且在人们日常生活的用品中也离不开金属材料。金属材料的品种繁多，工程上常用的金属材料有钢铁、有色金属及其合金、粉末冶金材料等。各种材料的性能主要是指使用性能和加工工艺性能。金属材料在使用条件下所表现的性能称为使用性能，它包括材料的物理、化学和机械性能。金属材料在冷、热加工的过程中所表现的性能称为加工工艺性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。

金属材料作为应用最为广泛的工程材料，利用各种手段对金属材料进行加工从而得到所需产品的过程，称为机械制造。机械制造包括从金属材料毛坯的制造到制成零件后装配到产品上的全过程。机械制造在制造业中占有非常重要的地位。

按照被加工金属材料在加工时状态不同，机械制造通常分为热加工和冷加工两大类。每一类加工可按从事工作的特点分为不同的职业工种，机械制造的主要职业工种有（热加工类）铸工、锻工、焊工，（冷加工）钳工、车工、镗工、铣工、磨工、金属特种加工。

无论哪一门工种，在实际工作中都需要掌握相关金属材料及热处理知识，因此本课程将金属材料及其加工工艺合在一起，使学习更加连贯和实用。

本课程的主要内容包括金属材料的基本知识、金属的性能、金属学的基础知识和热处理的基本知识、铸造、锻造、车削、钳加工、铣削、刨削、镗削和磨削。

所谓金属，是指由单一元素构成的具有特殊的光泽、延展性、导电性、导热性的物质，如金、银、铜、铁、锰、锌、铝等。而合金是指由一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法合成的具有金属特性的材料。金属材料是金属及其合金的总称，即指金属元素或以金属元素为主构成的，并具有金属特性的物质。

金属材料的基本知识主要介绍金属的晶体结构及变形的相关知识，金属的性能主要介绍金属的力学性能和工艺性能，金属学基础知识讲述铁碳合金的组织及铁碳合金相图，金属材料讲述碳素钢、合金钢、铸铁、有色金属及硬质合金等金属材料的常用牌号、成分、组织、性能及用途。热处理基本知识讲述热处理的原理（钢在加热、保温、冷却时的组织转变）和热处理的工艺（退火、正火、淬火、回火、表面热处理），以及常用材料的典型热处理工艺。金属加工工艺主要讲述常用的金属毛坯形成方法及常用金属加工工艺。

第一单元　金属材料与热处理

第1章　金属的结构与结晶

生活中，我们身边有很多金属，虽然它们都属于同一类物质，但其性能差异却很大。比如铁丝和钢丝，一个柔软而另—个坚硬。金属性能的差异是由其内部结构决定的。因此，掌握金属的内部结构及其对金属性能的影响，对于选用和加工金属材料具有非常重要的意义。

1.1　金属的晶体结构

1.1.1　晶体与非晶体

物质是由原子和分子构成的，其存在状态可分为气态、液态和固态。固态物质根据其结构特点不同可分为晶体和非晶体。

所谓晶体是指其原子（确切说是离子）呈规律分布的物体。晶体和非晶体的对比可见表1-1，通过定义和性质可以容易地区分晶体与非晶体。自然界的绝大多数物质在固态下为晶体，只有少数为非晶体。由于晶体内部原子排列的规律性，有时甚至可以见到某些物质的外形也具有规则的轮廓，如水晶、食盐及黄铁矿等，但金属晶体一般则看不到这种规则的外形。所有金属都是晶体。

表1-1　晶体和非晶体的对比

1.1.2　金属的晶格类型

金属的晶格类型是指金属中原子排列的规律。如果把金属原子看作一个直径一定的小球，则某金属中原子的排列情况如图1-1所示。为了更淸楚地表示晶体中原子排列的规律，可将原子简化为一个质点，再用假想的线将它们连接起来，这样就形成了一个能反映原子排列规律的空间格架，称为晶格，如图1-2所示。

晶胞是可以反映金属原子排列规律的最小单元，所以一般都是取出晶胞来研究的。

图1-1　晶体中原子的排列情况

图1-2　晶格和晶胞示意图

虽然固体金属都是晶体，但是各种金属的晶体结构并不是完全相同的。某种金属的晶格是该金属所固有的，金属不同，晶格也就不同。

金属的晶格结构在已知的80多种金属元素中，除少数金属具有复杂的晶体结构外，绝大多数（占85%）金属属于以下三种简单晶格：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。有14种金属属于体心立方晶格，15种金属属于面心立方晶格，17种金属属于密排六方晶格，常见的三种金属晶格类型见表1-2。

表1-2　常见的三种金属晶格类型

除以上三种晶格外，少数金属还具有其他类型的晶格，但一般很少遇到。

即使相同原子构成的晶体，只要原子排列的晶格形式不同，则它们之间的性能就会存在很大的差别，如金刚石与石墨就是典型的例子。

1.1.3　单晶体与多晶体

金属是由很多大小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成的，小晶体称为晶粒，晶粒间交界的地方称为晶界，这种实际上由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体，如图1-3所示。

只由一个晶粒组成的晶体称为单晶体，如图1-4所示，单晶体的晶格排列方位完全一致。单晶体必须人工制作，如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。单晶体在不同的方向上具有不同性能的现象称为各向异性。

图1-3　多晶体

图1-4　单晶体

普通金属材料都是多晶体，虽然每个晶粒各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，这就使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性。

1.1.4　晶体的缺陷

实际上由于各种原因，金属原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，我们把这种晶体中原子紊乱排列的现象称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属材料的许多性能都有很大的影响，特别是在金属的塑性变形及热处理过程中起着重要作用。

常见的几种晶体缺陷及影响见表1-3。

表1-3　常见的几种晶体缺陷及影响

续表

1.2　纯金属的结晶

工业上使用的金属材料通常要经过液态和固态的加工过程。例如制造机器零件的钢材，要经过冶炼、注锭、轧制、锻造、机加工和热处理等工艺过程，如图1-5所示。生产上将金属的凝固称为结晶。

结晶是指金属从高温液体状态冷却凝固为固体（晶体）状态的过程，在结晶过程中会放出一定的热量，称为结晶潜热。

1.2.1　纯金属的结晶过程

金属的结晶必须在低于其理论结晶温度（熔点T0）下才能进行，理论结晶温度和实际结晶温度（T1）之间存在的这个温度差称为“过冷度”（ΔT=T0-T1），如图1-6所示。金属结晶时，过冷度的大小与冷却速度有关，冷却越快，其实际结晶的温度就越低，过冷度ΔT也就越大。

图1-5　炼钢

图1-6　结晶时的冷却曲线及过冷度示意图

纯金属的结晶是在恒温下进行的。结晶结束，不再有潜热放出来补充散发的热量，温度又重新下降，直至室温。

图1-7所示为金属结晶过程示意图。金属的结晶过程由晶核的产生和长大两个基本过程组成，并且这两个过程是同时进行的。实验证明，这个晶核产生与长大的过程是一切物质（包括非金属物质）进行结晶的普遍规律。例如下雪时，刚开始落下的是小雪粒（小晶体），随着空气中水蒸气不断地向小雪粒上凝聚，慢慢地雪粒就变成了飘舞的雪花（枝状晶）。在晶核开始成长的初期，因其内部原子规则排列的特点，其外形也大多是比较规则的。但随着晶核的成长，晶体棱角的形成，棱角处的散热条件优于其他部位，因而得到优先成长，如树枝一样先长出枝干，再长出分枝，最后再把晶间填满。这种成长方式叫“枝晶成长”。

图1-7　金属结晶过程示意图

由于树枝状晶体在金属结晶时是不透明的，所以很难看到。但在一些情况下，由于结晶时没有得到足够的原子填充，所以其形态被保存下来，比如在一些纯金属的表面、铸锭或铸件的缩孔中，通常可以观察到这种结构。

1.2.2　晶粒大小对金属材料的影响

在显微镜下观察纯铁晶粒的大小、形态和分布，如图1-8所示。

从图1-8中可以看出，纯铁是由许多形状不规则的晶粒组成的。金属材料的晶粒越细，其晶界总面积越大，强度也就越高；同时由于晶粒越细，在相同体积内的晶粒数目就越多。在同样的变形条件下，变形可分散在更多的晶粒中进行，使变形量的分配更均匀，因此金属不易因变形过大而断裂，使其塑性提高。

有色金属的晶粒一般都比钢铁中的晶粒大一些，有时甚至不用显微镜就能直接看见，如镀锌钢板表面的锌晶粒，其尺寸通常可达数毫米至十几毫米，用肉眼便可观察到其晶粒及晶粒表面枝状晶组成的花纹。

晶粒的大小与晶核数目和长大速度有关。形核率越高，长大速度越慢，则结晶后的晶粒越细小，因而在生产中一般通过提高形核率并控制晶粒长大速度的方法来细化晶粒。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常釆取以下几种方法。

图1-8　晶粒的大小、形态和分布

1.增加过冷度

金属结晶时的冷却速度愈大，其过冷度便愈大，随着过冷度的增加，晶核的形成率和成长率都增大，并在一定的过冷度时各自达到一最大值。一般工业条件下，金属结晶过程中过冷度越大，晶粒越细。薄壁铸件的晶粒较细；厚大的铸件往往是粗晶，铸件外层的晶粒较细，心部则是粗晶。

2.变质处理

任何金属中总不免含有或多或少的杂质，有的可与金属一起熔化，有的则不能，而是呈

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